细胞生物学教学课件第11章 细胞分裂与细胞周期

,第十一章细胞分裂与细胞周期,Chapter11CellDivisionandCellCycle,讲授提纲,复习思考题,第一节真核细胞的分裂,第二节细胞周期及其调控,第一节真核细胞的分裂,第十六章细胞分裂与细胞周期,无丝分裂(amitosis),直接分裂(directdivision),不形成纺锤丝也不形成染色体,形成纺锤丝出现细丝状染色质,形成纺锤丝出现细丝状染色质染色体数量减半,有丝分裂(mitosis),减数分裂(meiosis),一、有丝分裂,第1节真核细胞的分裂,（一）核分裂,一、有丝分裂,核内染色质逐渐凝缩姊妹染色体形成有丝分裂器核膜破裂(核层蛋白磷酸化)核仁逐渐缩小而消失,纺锤体伸展到细胞中心区姊妹染色单体连到纺锤体微管上染色体向着赤道面汇集,所有染色体都排列在赤道面上,姊妹染色单体向两极移动细胞两极的远离,染色体移动到两极(平均分配到两极)核膜重建(核纤层蛋白的去磷酸化)染色体逐渐去凝缩/弥散成染色质重新形成核仁有丝分裂器逐渐消失,第1节真核细胞的分裂,1、染色体凝缩与去凝缩变化：,一、有丝分裂,第1节真核细胞的分裂,核分裂过程中染色体凝缩与去凝缩变化的模式图解,核分裂过程中所发生的几种主要事件：,核分裂过程中核被膜解体与重建变化的模式图解,2、核被膜的解体与重建变化：,一、有丝分裂,第1节真核细胞的分裂,核被膜解体,核被膜重建,核被膜重建,第1节真核细胞的分裂,一、有丝分裂,3、核仁的解体与重建变化：,间期,4、纺锤体的组装与解体变化：,一、有丝分裂,第1节真核细胞的分裂,有丝分裂器,一、有丝分裂,第1节真核细胞的分裂,(b)两极的远离是两组极微管相互滑动的结果。,染色体向两极移动与两极远离的模式图解,(a),(a)染色体向两极移动的动力来自动粒微管(+)端的逐渐解聚,5、染色单体分离及其向两极的移动：,一、有丝分裂,第1节真核细胞的分裂,机制图解,质膜,两极的远离机制,第1节真核细胞的分裂,一、有丝分裂,两组极微管相互滑动机制图解,第1节真核细胞的分裂,一、有丝分裂,（二）胞质分裂,核分裂与胞质分裂时相协调的模式图解,第1节真核细胞的分裂,一、有丝分裂,胞质分裂,核分裂,第1节真核细胞的分裂,一、有丝分裂,动物细胞的胞质分裂通过胞质收缩环的收缩实现，收缩环由大量平行排列的肌动蛋白组成。用细胞松弛素处理这一时期的细胞，会出现什么现象？,正在进行胞质分裂的Sp2/0-Ag14骨髓瘤细胞(樊廷俊等，1989),第1节真核细胞的分裂,一、有丝分裂,第1节真核细胞的分裂,一、有丝分裂,植物细胞末期近两极处纺锤丝消失，中间微管保留，并数量增加，其中不断加入囊状物和电子密度高的物质，形成成膜体。成膜体的囊泡来自高尔基体。小囊泡不断融合扩大形成质膜，即细胞板(cellplate)，将细胞一分为二，最后在细胞板两侧积累多糖，形成细胞壁。,有丝分裂各期的免疫荧光照片,早前期,晚前期,前中期,中期,早后期,后期,末期,一、有丝分裂,第1节真核细胞的分裂,有丝分裂小结,核内有丝分裂(endomitosis)体细胞减数分裂多极分裂(培养癌细胞)染色单体不发生分离的有丝分裂,特殊形式的有丝分裂,第1节真核细胞的分裂,一、有丝分裂,第1节真核细胞的分裂,染色质复制1次，细胞分裂2次子细胞染色体数减半,二、减数分裂(meiosis),性细胞成熟过程中的核分裂成熟分裂,第1节真核细胞的分裂,二、减数分裂,减数分裂,减数分裂,减数分裂：,第1次核分裂,第2次核分裂,（一）减数分裂,第1节真核细胞的分裂,二、减数分裂,减数分裂II,中期I,后期I,末期I,中前期I,晚前期I,前期,染色质开始凝缩，成细丝状(二分体)染色体线上出现许多颗粒状染色粒核的体积增大，核仁也变大染色体在核中呈花束状,同源染色体发生联会染色体进一步压缩，并连在核膜的固定板上偶线期DNA的合成（zygDNA)，转录zygRNA形成联会复合体,染色体进一步缩短变粗，同源染色体配对完成同源染色体间的非姊妹染色单体间发生交叉交换装配成了重组小结,rDNA扩增,合成专有的组蛋白合成了少量粗线期DNA(pDNA),联会复合体开始解体，姊妹染色体清晰可见同源染色体只靠一些交叉部位连在一起RNA转录活跃，形成灯刷染色体,染色体更加变粗、变短交叉通过端化而数量减少，各二价体彼此分开核仁、核膜消失在染色体区纺锤体微管清晰可见,第1节真核细胞的分裂,二、减数分裂,第1节真核细胞的分裂,二、减数分裂,减数分裂前期的分期及其所需时间图解,联会复合体结构模式图,第1节真核细胞的分裂,二、减数分裂,第1节真核细胞的分裂,二、减数分裂,同源染色体非姊妹染色单体间交叉、重组的模式图解,第1节真核细胞的分裂,二、减数分裂,代与代之间的差异,（二）减数分裂,第1节真核细胞的分裂,二、减数分裂,减数分裂II过程的模式图解,减数分裂中染色体与纺锤体的结构关系示意图,第1节真核细胞的分裂,二、减数分裂,高等动物精子(a)和卵子(b)形成过程图解,第1节真核细胞的分裂,二、减数分裂,二倍体生殖细胞,精(卵)原细胞,初级精(卵)母细胞,次级精(卵)母细胞,单倍体精细胞,精子,精子形成是一个十分高效的过程，成年男性伴随着每1次心跳即可产生1000多个精子!,植物细胞的减数分裂,第1节真核细胞的分裂,二、减数分裂,（三）减数分裂与有丝分裂的主要差别,减数分裂与有丝分裂过程的对比图解,第1节真核细胞的分裂,二、减数分裂,(1)有丝分裂是体细胞的分裂方式，而减数分裂仅限于生殖细胞。(2)有丝分裂是DNA复制1次细胞分裂1次，染色体数由2n2n，DNA量由4C减为2C；减数分裂是DNA复制1次，细胞分裂2次，染色体数由2n1n，DNA量由4C变为1C。(3)有丝分裂前，在S期进行DNA合成，然后经过G2期进入有丝分裂期；减数分裂前DNA的合成时间长(减数分裂前DNA合成)，合成后立即进入减数分裂，G2期很短或没有。(4)有丝分裂时每1条染色体独立活动，遗传物质不变；减数分裂中染色体要发生联会、交叉和交换等，产生了遗传物质的多样性。(5)有丝分裂进行的时间短,一般为12小时。减数分裂进行的时间长,可达数月甚至数年。,减数分裂与有丝分裂的主要区别,第1节真核细胞的分裂,二、减数分裂,第二节细胞周期及其调控,第十三章细胞分裂与细胞周期,一、细胞周期(cellcycle),二、细胞周期的调控,一、细胞周期(cellcycle),第2节细胞周期及其调控,细胞周期(cellcycle)：指细胞由一次分裂结束到下一次分裂结束所经历的相同的时期和顺序变化(即G1SG2M)，是细胞周而复始地进行活动的生长、分裂循环。,细胞周期的时相图解,哺乳动物培养细胞的细胞周期和各阶段持续时间图解,一、细胞周期,第2节细胞周期及其调控,1.G1期,哺乳动物细胞在G1期中的一些主要的生理、生化变化,不稳定蛋白(U蛋白),R:G1期的限制点(restrictionpoint),一、细胞周期,第2节细胞周期及其调控,与DNA合成启动相关，开始合成细胞生长所需要的多种蛋白质、RNA、碳水化合物、脂等，同时染色质去凝集。,DNA复制:S期DNA合成不同步合成组蛋白:DNA复制与组蛋白合成同步，组成核小体串珠结构合成非组蛋白,2.S期,一、细胞周期,第2节细胞周期及其调控,一、细胞周期,第2节细胞周期及其调控,DNA含量加倍合成某些特定蛋白质,3.G2期,可使核纤层蛋白磷酸化，导致核膜在前期末破裂；也可催化H1组蛋白高度磷酸化，引起染色质在临近有丝分裂时开始凝缩。,蛋白质激酶：G2期末被激活,4.M期M期即细胞分裂期，真核细胞的细胞分裂主要包括两种方式，即有丝分裂(mitosis)和减数分裂(meiosis)。遗传物质和细胞内其他物质分配给子细胞。,G0期/G0态(G0state)：有的细胞不进入下一周期而暂时退出了细胞周期，处于的一种拘留状态。,5.G0期,一、细胞周期,第2节细胞周期及其调控,细胞周期长短测定,脉冲标记DNA复制和细胞分裂指数观察测定法:对测定细胞进行脉冲标记、定时取材、利用放射自显影技术显示标记细胞，通过统计标记有丝分裂细胞百分数的办法来测定细胞周期。放射标记物为3H或者14C标记的TDR。常以（TG2+1/2TM)-TG2的方式求出TM.流式细胞仪测定法(FlowCytometry)缩时摄像技术，可以得到准确的细胞周期时间及分裂间期和分裂期的准确时间。,细胞周期同步化,1.自然同步化：1、多核体：如：粘菌、疟原虫。2、某些水生动物的受精卵：如海胆、海参、两栖类。3、增殖抑制解除后的同步分裂：如真菌的休眠孢子移入适宜环境后，它们一起发芽，同步分裂。2.人工选择同步化有丝分裂选择法：用于单层贴壁生长细胞,M期细胞与培养皿的附着性低，振荡脱离器壁收集。优点是细胞未经任何药物处理，细胞同步化效率高。缺点是分离的细胞数量少。密度梯度离心法：根据不同时期的细胞在体积和重量上存在差别进行分离,M期细胞体积大，可用离心分离。优点是方法简单省时，效率高，成本低。缺点是对大多数种类的细胞并不适用。,3.药物诱导法DNA合成阻断法G1/S-TdR双阻断法：选用DNA合成的抑制剂，可逆地抑制DNA合成。常用TDR双阻断法：在细胞处于对数生长期的培养基中加入过量TDR（Hela2mol/L；CHO7.5mol/L）。S期细胞被抑制，停在G1/S交界处。移去TDR，释放时间大于TS时，再次加入过量TDR。最终将细胞群阻断于G1/S交界处。优点：同步化效率高，几乎适合于所有体外培养的细胞体系。缺点：诱导过程可造成细胞非均衡生长分裂中期阻断法：通过抑制微管聚合来抑制细胞分裂器的形成，将细胞阻断在细胞分裂中期。优点是操作简便，效率高。缺点是这些药物的毒性相对较大4.条件依赖性突变株在细胞周期同步化中的应用：将与细胞周期调控有关的条件依赖性突变株转移到限定条件下培养，所有细胞便被同步化在细胞周期中某一特定时期。,特异的细胞周期,特异的细胞周期是指那些特殊的细胞所具有的与标准的细胞周期相比有着鲜明特点的细胞周期。爪蟾早期胚胎细胞的细胞周期酵母细胞的细胞周期植物细胞的细胞周期细菌的细胞周期,爪蟾早期胚胎细胞的细胞周期,细胞分裂快,无G1期,G2期非常短,S期也短(所有复制子都激活),以至认为仅含有S期和M期无需临时合成其它物质子细胞在G1、G2期并不生长，越分裂体积越小细胞周期调控因子和调节机制与一般体细胞标准的细胞周期基本是一致的,酵母细胞的细胞周期,酵母细胞的细胞周期与标准的细胞周期在时相和调控方面相似酵母细胞周期明显特点:酵母细胞周期持续时间较短；封闭式细胞分裂，即细胞分裂时核膜不解聚；纺锤体位于细胞核内；在一定环境下，也进行有性繁殖,植物细胞的细胞周期,植物细胞的细胞周期与动物细胞的标准细胞周期非常相似，含有G1期、S期、G2期和M期四个时期。植物细胞不含中心体，但在细胞分裂时可以正常组装纺锤体。植物细胞以形成中板的形式进行胞质分裂,细菌的细胞周期,慢生长细菌细胞周期过程与真核细胞周期过程有一定相似之处。其DNA复制之前的准备时间与G1期类似。分裂之前的准备时间与G2期类似。再加上S期和M期，细菌的细胞周期也基本具备四个时期细菌在快速生长情况下，如何协调快速分裂和最基本的DNA复制速度之间的矛盾,二、细胞周期的调控,细胞周期是在严格调控的前提下有条不紊地进行运转的！,细胞的增殖是通过细胞周期来实现的：,120天,人RBC:,第2节细胞周期及其调控,1970sRao和Johnson发现与M期细胞(Hela)融合的间期细胞染色体发生凝缩，称为早熟凝集染色体(prematurelycondensedchromosome，PCC)。,研究背景,细胞融合实验,开始合成DNA,S期细胞内有促使合成DNA的物质,促使合成DNA的物质在G2期消失,不合成DNA,G1、G2、S期细胞与M细胞的杂交实验,M期细胞中有能使核变化的物质,不同类的M期细胞也可诱导PCC产生，说明M期细胞具有促进间期细胞进行分裂的因子，即成熟促进因子(maturationpromotingfactor，MPF)。1960sLelandHartwell,1970sPaulNurse以芽殖酵母和裂殖酵母为实验材料，利用温度敏感突变株，发现许多与细胞分裂有关的基因(celldivisioncyclegene,CDC)。如：裂殖酵母cdc2、芽殖酵母cdc28突变型在限制温度下无法分裂；wee1突变型则提早分裂，cdc25突变型细胞体积增大而不分裂；cdc2和cdc28都编码一个34KD的蛋白激酶，促进细胞周期的进行，weel和cdc25分别表现为抑制和促进CDC2的活性。,Cdc25CAK=CDK1-ActivitingKinase,活化的MPF可使更多的MPF活化,功能：启动细胞从G2期进入M期的相关事件,特点：在细胞周期中呈周期性变化。含有一段约100个氨基酸的保守序列，称为周期蛋白框，介导周期蛋白与CDK结合。作用：激活CDK，引导CDK作用于不同底物。已知30余种，在脊椎动物中为A1-2、B1-3、C、D1-3、E1-2、F、G、H等。分为4类：G1型、G1/S型、S型、M型。,细胞周期蛋白,G1SG2/MCyclin-CdkCyclin-CdkCyclin-CdkBuddingYeastCLN1,2,3-CDC28CLB5,(3,4)-CDC28CLB1,2(3,4)-CDC28FissionYeastCIG1-CDC2CIG2-CDC2CIG13-CDC2HigherEukaryotesCyclinD1,2,3-CDK4/6CyclinA-CDK2CyclinB-CDC2CyclinE1,2-CDK2,G1Substrates,SSubstrates,G2/MSubstrates,GrowthandMorphogenesis,DNAReplication,Mitosis,Cyclin-Cdk复合物的多样性,在中期当MPF活性达到最高时，激活后期促进因子APC，将泛素连接在cyclinB上，cyclinB被蛋白酶体(proteasome)降解，完成一个细胞周期。分裂期周期蛋白N端有一段序列与其降解有关，称降解盒(destructionbox)。泛素由76个氨基酸组成，高度保守。共价结合泛素的蛋白质能被蛋白酶体识别和降解，这是细胞内短寿命蛋白和一些异常蛋白降解的普遍途径。26S蛋白酶体是一个大型的蛋白酶，可将泛素化的蛋白质分解成短肽。,周期蛋白的降解,非洲爪蟾胚胎细胞内周期蛋白的调控模